周鵬，李翔，張德見，趙心暢，劉黃誠(chéng)

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙　410014)

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水布埡水庫(kù)及壩下河道水溫觀測(cè)分析

周鵬，李翔，張德見，趙心暢，劉黃誠(chéng)

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

通過采用溫鹽深儀對(duì)水布埡水庫(kù)庫(kù)區(qū)、壩前、壩下水溫進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明：水布埡水庫(kù)壩前水體常年處于溫度分層狀態(tài)，夏季表層與底層溫差較大，冬季溫差很?。粔蜗掠^測(cè)斷面比壩前斷面取水口底板高程處水溫高約0～8.0℃；大部分月份壩下斷面水溫相當(dāng)于壩前取水口高度以上10～20 m處水溫；壩前700 m斷面與庫(kù)中斷面分層趨勢(shì)基本一致；表層水溫變化與氣溫具有較大相關(guān)性。

水布埡水庫(kù)；水庫(kù)水溫；壩下水溫；水溫觀測(cè)

水電站在促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，其形成的高壩大庫(kù)改變了水體的水文情勢(shì)和水溫時(shí)空分布[1-3]，對(duì)庫(kù)區(qū)及下游河段的水溫產(chǎn)生長(zhǎng)期影響[4]，也對(duì)水環(huán)境和水生生態(tài)形成較大影響[5]。水工建筑物在設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行過程中需確定壩前水溫變化及其影響[6-8]，而影響庫(kù)區(qū)水溫分布、壩下河段水溫沿程恢復(fù)的因子較多，因此在水庫(kù)及下游河段開展水溫觀測(cè)對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律、下泄低溫水沿程恢復(fù)規(guī)律分析，具有重要意義[4-5]。

水布埡水庫(kù)位于清江中游湖北巴東縣，自2007年4月起下閘蓄水，至今已近10年。水布埡電站裝機(jī)容量1 840 MW，多年平均徑流量93.4億m3，正常蓄水位庫(kù)容43.12億m3，水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)性能，水位在正常蓄水位400 m至死水位350 m之間變化。一年中水庫(kù)水位在6月降至最低，10月升至最高，隨后又開始下降，直至次年6月。對(duì)水布埡水庫(kù)及下游河段開展水溫觀測(cè)，對(duì)其水溫結(jié)構(gòu)及下游河道水溫沿程恢復(fù)規(guī)律進(jìn)行研究，具有重要意義。

1　觀測(cè)方法和儀器

河流水溫?cái)?shù)據(jù)來源主要包括水文站水溫觀測(cè)和河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)，目前大部分水文站日常水溫觀測(cè)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)采用SWL1-1型表層水溫表，水深40 m以內(nèi)采用深水溫度計(jì)，水深超過40 m采用顛倒溫度計(jì)，通常河流水溫觀測(cè)未同步記錄觀測(cè)深度。

水布埡水庫(kù)壩前正常蓄水位對(duì)應(yīng)的水深約185 m。為滿足本次觀測(cè)要求，參照《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)和《水質(zhì) 水溫的測(cè)定 溫度計(jì)或顛倒溫度計(jì)測(cè)定法》(GB 13195—91)中相關(guān)規(guī)定，采用溫鹽深儀進(jìn)行觀測(cè)。該儀器液位精度為0.05%測(cè)量深度，溫度精度0.003℃，深度量程0～7 000 dbar，溫度量程-5～35℃。

2　觀測(cè)方案及測(cè)量方法

觀測(cè)范圍從上游水布埡水庫(kù)庫(kù)尾紅旗大橋處至下游桃山斷面，河道全長(zhǎng)約157.5 km，共設(shè)置6個(gè)觀測(cè)斷面，包括8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別為庫(kù)尾恩施州紅旗大橋斷面(距壩址約119.3 km)、庫(kù)中景陽(yáng)大橋斷面(距壩址約39.5 m)、壩前700 m斷面(左、中、右3條垂線)、壩下1.27 km斷面、壩下漁峽口鎮(zhèn)斷面(距壩址約17.7 km)和壩下桃山斷面(距壩址約38.2 km)。觀測(cè)時(shí)間為2013年7月至2015年6月。

(1)庫(kù)區(qū)水溫觀測(cè)：在壩前斷面左、中和右布設(shè)3根垂線，在庫(kù)中斷面中部布設(shè)1根垂線。選擇溫鹽深儀的連續(xù)模式進(jìn)行觀測(cè)，儀器緩慢下沉過程中每隔200～1 000 ms獲取一次讀數(shù)，觀測(cè)完成后可從數(shù)據(jù)列表中選取不同深度的溫度數(shù)據(jù)。在庫(kù)尾選擇不受水庫(kù)回水影響的斷面，僅觀測(cè)表層0.5 m處水溫。

(2)河道水溫觀測(cè)：壩下大橋、漁峽口鎮(zhèn)和桃山斷面，觀測(cè)表層0.5 m處的水溫。由于桃山觀測(cè)斷面于下游水庫(kù)隔河巖庫(kù)區(qū)，水深較大，設(shè)置1根垂線。

3　水溫變化特征分析

3.1庫(kù)區(qū)水溫分布

根據(jù)水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，水布埡水庫(kù)壩前700 m斷面垂向水溫觀測(cè)結(jié)果見圖1。水庫(kù)建成蓄水后，庫(kù)區(qū)水溫結(jié)構(gòu)呈穩(wěn)定分層型，特別是夏季6—8月，表層和深層水溫差11.0～18.8℃，水溫垂直分層明顯，且逐漸呈現(xiàn)出顯著的雙溫躍層結(jié)構(gòu)；9月和10月，表底溫差8.6～11.1℃，隨著氣溫降低，雖仍呈現(xiàn)雙溫躍層，但表層溫度梯度較夏季明顯減小；11月至次年2月，表層溫度梯度不明顯，呈現(xiàn)單溫躍層分布特征，表底溫差1.6～8.6℃；3月表底溫差1.7℃，基本認(rèn)為無溫躍層；5月隨著氣溫升高，表層水溫迅速提升，溫度梯度主要出現(xiàn)在40 m以上水體，表底層溫差7.6℃。

圖1　水布埡水庫(kù)壩前水溫隨水位的變化Fig.1　The water temperature change in front of Shuibuya Dam

壩前斷面與庫(kù)中斷面水溫季度代表月份垂向?qū)崪y(cè)結(jié)果如圖2所示。壩前斷面與庫(kù)中斷面垂向水溫結(jié)構(gòu)大致相近，表層水溫溫差1.5～3.2℃；9月60～70 m溫躍層深度溫差0.3～0.8℃，12月55～75 m溫躍層深度溫差0.3～1.7℃，其余月份對(duì)應(yīng)不同深度溫差基本不超過0.2℃，差別相對(duì)較小。由此可知，壩前700 m與庫(kù)中斷面雖然水平距離相差38.8 km，但是水溫趨勢(shì)走向基本一致，可見庫(kù)區(qū)庫(kù)中與壩前呈現(xiàn)相似的穩(wěn)定水溫分層現(xiàn)象。

圖2　水布埡水庫(kù)壩前、庫(kù)中斷面垂向水溫變化Fig.2　The vertical water temperature change in front of Shuibuya Dam and in the middle of the reservoir

3.2壩前斷面橫向溫度分布

通過比對(duì)代表月份3月、6月、9月、12月壩前斷面左、中、右溫度垂線得知，橫向水溫差別較小，表層水溫差值在0～0.5℃，深層水溫基本無差別。

3.3壩下斷面水溫變化

根據(jù)壩前垂向水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合觀測(cè)時(shí)段壩前水位高程，確定水布埡電站取水口底板高程330 m處的水溫情況，見圖1。取水口處，2013年7月至2015年5月水溫11.0～14.7℃，其中5—10月水溫11.0～14.1℃，11月至次年3月水溫12.2～14.7℃。

壩下斷面水溫比取水口處水溫差異較大，大部分月份壩下斷面水溫相當(dāng)于壩前取水口高度以上10～20 m處水溫，3月和7月分別對(duì)應(yīng)于取水口以上30 m和35 m高度處水溫；5—10月漁峽口斷面表層水溫比壩下斷面水溫高0.3～11.5℃，桃山斷面表層水溫比壩下斷面水溫高4.5～12.3℃，表明此間水布埡水電站發(fā)電尾水流至隔河巖庫(kù)區(qū)后，經(jīng)過一段時(shí)間的熱交換和太陽(yáng)輻射，水溫得到一定恢復(fù)。

通過與天然河道水溫比較得知，5—9月實(shí)測(cè)壩下斷面水溫比天然河道水溫低0.6～4.4℃，10月實(shí)測(cè)壩下水溫比天然河道水溫高3.0℃；通過比較壩下與壩前表層水溫得知，5—10月實(shí)測(cè)壩下水溫比實(shí)測(cè)壩前表層水溫低4.2～11.6℃，11月至次年3月實(shí)測(cè)壩下水溫比實(shí)測(cè)壩前表層水溫低0.1～0.8℃。

3.4表層水溫沿程變化

2013年7月至2015年5月各斷面實(shí)測(cè)表層水溫如圖3所示。由圖可知，5—9月庫(kù)尾至景陽(yáng)斷面水溫提升速率0.04～0.13℃/km；下泄低溫水至漁峽口斷面，表層水溫基本能夠恢復(fù)至較高水平，水溫提升速率0.02～0.70℃/km，桃山斷面表層處水溫基本呈現(xiàn)隔河巖水庫(kù)水溫分布特征。

圖3　水布埡水庫(kù)及壩下河段表層水溫變化Fig.3　The surface water temperature change of Shuibuya Reservoir and the river under the dam

水溫實(shí)測(cè)時(shí)段對(duì)應(yīng)氣溫如圖4所示，通過對(duì)比可知，表層水溫變化與氣溫有較大相關(guān)性。夏季庫(kù)尾至庫(kù)中景陽(yáng)斷面、壩下至漁峽口斷面河段表層水溫恢復(fù)較快，在桃山斷面恢復(fù)至庫(kù)區(qū)相當(dāng)水平，表明經(jīng)過一定距離，壩下水溫得到很大程度恢復(fù)；冬季漁峽口至桃山斷面表層水溫受氣溫影響略有下降。

圖4　水溫實(shí)測(cè)時(shí)段對(duì)應(yīng)氣溫Fig.4　The air temperature in water temperature monitoring period

4　相關(guān)結(jié)論

根據(jù)水布埡水庫(kù)水溫觀測(cè)資料，對(duì)庫(kù)區(qū)、壩下水溫及年內(nèi)分布特性進(jìn)行分析，其分布規(guī)律如下：

(1)水布埡庫(kù)區(qū)水溫全年保持溫度分層結(jié)構(gòu)；表層水溫年內(nèi)溫差大，庫(kù)底水溫年內(nèi)溫差較小。水溫結(jié)構(gòu)呈穩(wěn)定分層型，夏季6—8月水溫垂直分層明顯，呈現(xiàn)雙溫躍層結(jié)構(gòu)；9月、10月逐漸向單溫躍層過渡；11月至次年2月，水庫(kù)呈現(xiàn)單溫躍層分布特征；3月基本無溫躍層；5月隨氣溫升高，表層水溫迅速提升。

(2)壩前700 m與庫(kù)中斷面水溫分層趨勢(shì)基本一致，而其水溫在橫向上基本沒有變化。

(3)在大部分月份，壩下斷面水溫相當(dāng)于壩前取水口高度以上10～20 m處水溫，表明在下泄水體中，取水口底板高程以上部分的水體多于以下部分；5—10月，電站發(fā)電尾水流至隔河巖庫(kù)區(qū)后，水溫得到一定恢復(fù)。

(4)表層水溫變化與氣溫具有較大相關(guān)性。

[1]李冰凍, 李嘉, 李克鋒, 等. 二灘水庫(kù)壩前及下泄水體水溫分布現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與分析[J]. 水利水電科技進(jìn)展, 2009(4): 21-23.

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Observation and Analysis on Water Temperature of Shuibuya Reservoir and Channel under Dam

ZHOU Peng, LI Xiang, ZHANG De-jian, ZHAO Xin-chang, LIU Huang-cheng

(PowerChina Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

A CTD was adopted to observe water temperature of Shuibuya Reservoir, as well as in front of and under the dam. The result showed that water temperature stratification existed in front of Shuibuya Dam for most of the time within a year, the temperature difference between surface and bottom was greater in summer and smaller in winter; the outflow water temperature at observation point under the dam was higher by 0～8.0℃ than that of the intake in front of the dam; during most months within a year, outflow water temperature under the dam was the same as that of the location 10～20 meters above the intake in front of the dam; water temperature stratification of the section 700 meters front of the dam was similar to that of the section in the middle of the reservoir; and the water temperature change of surface layer was considerably correlated with air temperature.

Shuibuya Reservoir; reservoir water temperature; water temperature after the dam; water temperature observation

2016-02-22

周鵬(1987—)，男，河南開封人，助理工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)，E-mail：512307789@qq.com

李翔(1979—)，男，湖南常德人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)，E-mail：13145967@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.03.009

X820.3；TV697.2

A

2095-6444(2016)03-0032-03